Гироскопы кольцевого лазера и волоконно-оптические гироскопы: принципы, типы и сравнение характеристик

Современные инерциальные навигационные системы в значительной степени полагаются на высокоточные датчики вращения. Среди них наиболее широко используются Кольцевой лазерный гироскоп (RLG) и волоконно-оптические гироскопы (FOG) благодаря их стабильности, точности и надежности.

В этой статье представлен четкий обзор принципов работы этих гироскопов, различных классификаций волоконно-оптических гироскопов и сравнение их характеристик на международном уровне.

1. Что такое кольцевой лазерный гироскоп (RLG)?

Академическое название лазерного гироскопа - кольцевой лазер.
Его международно признанный термин - Кольцевой лазерный гироскоп (RLG).

RLG по сути представляет собой He-Ne (гелий-неоновый) лазер с замкнутым кольцевым резонатором.
Внутри резонатора два лазерных луча распространяются в противоположных направлениях. При вращении системы оптические длины пути изменяются асимметрично, что приводит к измеримой разнице частот.

Этот физический механизм известен как эффекте Саньяка  - тот же принцип, который используется во всех оптических гироскопах.

Почему RLG важны

Большой динамический диапазон

Очень высокая точность

Исключительная долговременная стабильность

Отработаны и проверены в аэрокосмических и оборонных приложениях

2. Волоконно-оптические гироскопы (FOG): типы и принципы измерения

Волоконно-оптические гироскопы также основаны на эффекте Саньяка, но вместо лазерного резонатора свет проходит через длинную катушку оптического волокна.

FOG можно разделить на три основных типа:

2.1 Резонансный волоконно-оптический гироскоп (RFOG)

Измеряет разницу частот между встречными лучами

Использует резонансный оптический резонатор

Потенциал для чрезвычайно высокой точности

Предпочтителен для навигационных систем следующего поколения

2.2 Интерференционный волоконно-оптический гироскоп (IFOG)

Измеряет разницу фаз

В настоящее время наиболее зрелый и широко используемый тип

Высокая надежность и хорошее соотношение цены и качества

2.3 Волоконно-оптический гироскоп на основе рассеяния Бриллюэна (BFOG)

Измеряет разницу фаз

Использует эффекты рассеяния Бриллюэна в оптическом волокне

Подходит для высокоточных применений

3. Открытая и замкнутая архитектура FOG

Волоконно-оптический гироскоп с открытым контуром

Относительно простая конструкция

Малый динамический диапазон

Плохая линейность масштабного коэффициента

Низкая точность

Лучше всего подходит для экономически чувствительных или приложений со средней производительностью.

Волоконно-оптический гироскоп с замкнутым контуром

Более сложная конструкция

Большой динамический диапазон

Отличная линейность масштабного коэффициента

Высокая точность

Широко используется в аэрокосмической, робототехнической, морской и беспилотной системах.

4. RLG против FOG: сравнение характеристик

5. Уровни точности: отечественный против международного

Китай (Отечественный):

Точность RLG:>5 ppm

Стабильность смещения:0,01–0,001°/ч

Международный (Высший уровень):

Точность RLG: <1 ppm

Стабильность смещения:0,0001°/ч

Эти характеристики ставят зарубежные высококлассные RLG в число самых точных инерциальных датчиков, доступных в мире.

6. Резюме

Как кольцевые лазерные гироскопы, так и волоконно-оптические гироскопы являются незаменимыми компонентами высокопроизводительной инерциальной навигации. Их различия можно резюмировать следующим образом:

RLG обеспечивают превосходную точность и долговременную стабильность, что делает их идеальными для аэрокосмических и стратегических систем.

FOG предлагают гибкий, масштабируемый подход с несколькими архитектурами (IFOG, RFOG, BFOG), подходящими для различных уровней производительности.

FOG с замкнутым контуром устраняют разрыв между стоимостью и производительностью, доминируя в основных промышленных и БПЛА приложениях.

Благодаря непрерывным инновациям в технологиях резонансных и бриллюэновских FOG и устойчивому развитию производственных процессов RLG, оптические гироскопы будут продолжать устанавливать новые стандарты точности инерциальной навигации.